학교 교실의 에너지 저감 및 쾌적 향상을 위한 패시브 요소와 하이브리드 데시컨트 냉방 시스템 적용성 평가

Abstract

It is important to maintain a comfort environment in a school building because students spend a lot of time in the school building, and indoor comfort is closely related to students' learning ability. However, although a heating and cooling system is installed in most classrooms at the present time, the problem of a comfort environment is steadily raised due to limited school operation budget, deterioration of building performance, and aging of existing facilities. In addition, the social demand for energy use reduction is increasing, so it is necessary to prepare measures to reduce energy use while maintaining a pleasant indoor environment in school classrooms. In this study, we evaluated the applicability of passive elements to reduce cooling energy in existing school classrooms, and evaluated the applicability of the hybrid desiccant cooling system as an alternative system to the existing heat pump cooling and heating system. For this, the passive elements were derived through the analysis of the school classroom environment characteristics, and the cooling load and cooling energy consumption by passive elements were analyzed. After that, a hybrid desiccant cooling system was applied to the school classroom to analyze the system operation characteristics and indoor comfort. The school building was designed and completed at the time of the standard drawing, and the opening was replaced due to the demand for building deterioration and load reduction, but the wall between the classroom and the corridor was excluded from replacement due to the priority of the wall facing the outside air. Considering the characteristics of the existing school building, when remodeling the classroom, measures are required to supplement the airtightness of the corridor side windows and entrances as well as the outside air side windows. In addition, it is necessary to examine the applicability of night purge using low temperature outside air at night. Passive elements derived through the basic environment investigation include improvement of insulation performance, improvement of airtightness, installation of exterior shades, and application of night purge. Compared to the standard, the cooling load reduction rates for each passive element were 5.5%, 5.6%, 37.9%, and 2.2%, and the energy consumption reduction rates were -5.5%, 1.5%, 24.0%, and 3.5%. When the external shade was installed, the energy consumption reduction rate was the greatest, and when the insulation performance was improved, the energy consumption increased compared to the standard. As a result of applying airtight performance improvement, exterior shade installation, and night purge, except for the case of improving insulation performance that increases cooling energy, the maximum cooling load was reduced by 39.6% compared to the standard, and energy consumption during the cooling period was analyzed to be reduced by 25.7%. According to the results of occupancy simulation experiments conducted in existing school classrooms, it is advantageous to control humidity when operating a hybrid desiccant cooling system and maintains indoor comfort during most of the system operation hours, but it takes a long time for temperature rise and sensible heat treatment during dehumidification. It was found to be unfavorable for maintaining temperature comfort. The energy consumption of the hybrid desiccant cooling system is 6.0 kWH, which is a 13.7% reduction compared to the existing air conditioner. As a result of a survey conducted on students and teachers, compared to the existing air conditioner and improved EHP, the difference in heat and humidity depending on the location in the hybrid desiccant cooling system were improved, but there is a concern that there may be an unpleasant temperature problem. In addition, the overall satisfaction level compared to the existing air conditioner is evaluated as'normal' or higher, and it is judged that the application of hybrid desiccant to school classrooms can improve the user's temperature and humidity comfort. As a result of evaluating the applicability of the hybrid desiccant cooling system through simulation, the set temperature and set humidity were well reached when the air conditioner was operated, but 29.6% of the total was out of comfort due to the increase in MRT.Therefore, it is necessary to consider a method of lowering the MRT to maintain indoor comfort. need. When the cooling mode is prioritized over the dehumidification mode, the problem of temperature rise at the beginning of the system operation has been solved, and it will be advantageous to operate the cooling mode with priority to maintain comfortable indoor temperature and humidity by maintaining a constant indoor temperature and humidity even during alternating operation. do. In addition, it is believed that high-efficiency COP should be applied to reduce energy consumption. When the passive element is applied to the existing school classroom, the maximum cooling load can be reduced, reducing the system capacity by about 25% compared to the previous one. As a result of applying the improved hybrid desiccant cooling system to the passive element, the temperature and humidity comfort were satisfied throughout the entire period, and the total energy consumption during the cooling period decreased by 50.3%. Therefore, it is considered that the cooling load can be reduced when the airtightness performance of the school classroom is improved, the exterior shade is installed, and the night purge is applied, and the capacity of the overdesigned system can be reduced. In addition, it is possible to maintain indoor temperature and humidity with the hybrid desiccant cooling system, but it is expected that the application of passive elements to reduce MRT such as installation of external shades is required to improve comfort. It is believed that it is possible to reduce cooling energy and improve temperature and humidity comfort.

학교 건물은 학생들이 많은 시간을 보내는 장소이며, 쾌적성은 학생들의 학습 능력과 밀접한 연관이 있기 때문에 학교 건물 내 쾌적한 환경 유지가 중요하다. 그러나 현재 대다수의 학교 교실마다 냉난방 설비가 설치되어 있음에도 한정적인 학교 운영 예산, 건축 성능의 저하, 기존 설비의 노후 등으로 인해 쾌적한 실내 환경에 대한 문제가 꾸준히 제기되고 있다. 더불어 에너지사용량 저감에 대한 사회적 요구도 커지고 있어 학교 교실의 쾌적한 실내 환경을 유지하면서 에너지사용량을 저감할 수 있는 대책 마련이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 기존 학교 교실의 냉방에너지 저감을 위한 패시브 요소의 적용성을 평가하였으며, 기존의 히트펌프 냉난방 시스템의 대안 시스템으로서 하이브리드 데시컨트 냉방 시스템의 적용성을 평가하였다. 이를 위해 학교 교실 환경 특성 분석을 통해 패시브 요소를 도출하였고, 패시브 요소별 냉방부하 및 냉방 에너지소비량에 대해 분석하였다. 이후 학교 교실에 하이브리드 데시컨트 냉방 시스템을 적용하여 시스템 운전 특성 및 실내 쾌적성에 대해 분석하였다. 표준설계도 시시에 설계 및 준공된 학교 건물은 건물 노후화 및 부하 저감에 대한 요구로 개구부 교체 공사가 이루어졌으나, 외기에 면하는 벽체를 우선으로 하여 교실과 복도 사이 벽체는 교체 대상에서 제외된 경우가 있다. 기존 학교 건물의 특성을 고려하였을 때 교실 리모델링 시 외기측창과 더불어 복도측창과 출입문의 기밀성능을 보완하기 위한 조치가 필요하며, 외기에 면한 벽체 외에도 교실과 복도 사이 벽체의 단열성능 개선이 고려되어야 한다. 또한 야간의 낮은 온도의 외기를 이용한 나이트퍼지 적용성을 검토할 필요가 있다. 기초환경 조사를 통해 도출한 패시브 요소에는 단열성능 개선, 기밀성능 개선, 외부차양 설치 및 나이트퍼지 적용이 있다. 기준안 대비 각각의 패시브 요소별 냉방부하 저감률은 5.5%, 5.6%, 37.9%, 2.2%이며, 에너지소비량 저감률은 –5.5%, 1.5%, 24.0%, 3.5%로 나타났다. 외부차양 설치 시 에너지소비량 저감률이 가장 컸으며, 단열성능 개선 시에는 오히려 기준안 대비 에너지소비량이 증가하였다. 냉방에너지를 증가시키는 단열성능 개선 Case를 제외하고 기밀성능 개선, 외부차양 설치, 나이트퍼지를 적용한 결과 최대 냉방부하는 기준안 대비 39.6% 저감되었으며, 냉방기간 에너지소비량은 25.7% 저감된 것으로 분석되었다. 기존 학교 교실을 대상으로 실시한 재실 모사 실험 결과에 따르면 하이브리드 데시컨트 냉방 시스템 운전 시 습도 조절에 유리하며 대부분의 시스템 운전 시간에서 실내 쾌적을 유지하나, 제습 시 온도 상승 문제, 현열 처리 시간이 오래 걸리는 문제로 인해 온도 쾌적을 유지하는데는 불리한 것으로 나타났다. 하이브리드 데시컨트 냉방 시스템의 에너지소비량은 6.0 kWh로 기존 냉방기 대비 13.7% 절감된 것으로 나타났다. 학생 및 교사를 대상으로 실시한 설문조사 결과 기존 냉방기 및 개선 EHP에 비해 하이브리드 데시컨트 냉방 시스템에서 위치에 따른 온열감 차이와 습도감이 개선되었으나 온도 불쾌적 문제가 발생할 우려가 있을 것으로 판단된다. 또한 기존 냉방기 대비 전체적인 만족도는 보통 이상으로 평가되어 학교 교실에 하이브리드 데시컨트 적용 시 사용자의 온습도 쾌적을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다. 시뮬레이션을 통한 하이브리드 데시컨트 냉방 시스템 적용성 평가 결과 냉방기 가동 시 설정 온도와 설정 습도에 잘 도달하였으나 MRT 상승으로 인해 전체 중 29.6%가 쾌적에서 벗어나는 것으로 나타나 실내 쾌적 유지를 위해 MRT를 낮추는 방안의 검토가 필요하다. 제습모드보다 냉방모드를 우선으로 운전 시 시스템 가동 초기의 온도 상승 문제가 해결되었으며 이후 교번운전 중에도 실내 온도 및 습도를 일정하게 유지하여 실내 온습도 쾌적 유지를 위해서는 냉방모드를 우선하여 운전하는 것이 유리할 것으로 판단된다. 또한 에너지소비량 저감을 위해 효율이 높은 COP를 적용해야 할 것으로 판단된다. 기존 학교 교실에 패시브 요소 적용 시 최대 냉방부하가 감소하여 실내 온도 불쾌적이 감소하였다. 그러나 현열과 잠열이 동시에 처리되는 시스템 특성에 따라 기존 냉방기 및 개선 EHP에서 실내 습도 불쾌적이 크게 발생하였다. 반면 패시브 요소에 개선된 하이브리드 데시컨트 냉방 시스템을 적용한 결과 전체 기간에서 온습도 쾌적을 만족하였으며 냉방기간 총 에너지소비량에서 기존 냉방기 및 개선 EHP에 비해 저감된 것으로 나타나 패시브 요소 적용 시 기존 냉방기 및 개선 EHP에 비해 습도 조절이 용이한 하이브리드 데시컨트 냉방 시스템을 적용하는 것이 유리할 것으로 판단된다. 하이브리드 데시컨트 냉방 시스템 적용 시 학교 교실의 기밀성능 개선, 외부차양 설치, 나이트퍼지 적용 시 냉방부하를 저감할 수 있으며 과도하게 설계된 시스템 용량을 줄일 수 있을 것으로 판단된다. 또한 하이브리드 데시컨트 냉방 시스템으로 실내 온습도 유지는 가능하나 쾌적 향상을 위해서는 외부차양 설치 등의 MRT 저감을 위한 패시브 요소 적용이 필요할 것으로 보이며, 기존 학교 교실에 패시브 요소와 개선된 하이브리드 데시컨트 냉방 시스템 적용 시 냉방에너지 저감 및 온습도 쾌적 향상이 가능한 것으로 판단된다.